Российские физики при помощи компьютерного моделирования получили спектры, которые позволяют определить строение кристаллической решетки наноматериалов для искусственного фотосинтеза — перспективного подхода к получению топлива из света и воды. Несмотря на то что создание таких веществ — управляемый процесс, их структура может отличаться, что неизбежно влияет на качество конечного материала. Спектры, играющие роль «отпечатков пальцев», помогут лучше контролировать получение «зеленого» топлива из света и воды и сделать его более эффективным.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials.

Вопрос получения экологически чистой и дешевой энергии сегодня стоит довольно остро, поэтому ученые ищут источники, альтернативные традиционным углю, нефти и газу. Решение задачи можно подглядеть в живой природе, например у растений, зеленые части которых участвуют в фотосинтезе. Аналог этого процесса — реакцию расщепления воды на кислород и водород, который можно использовать в качестве топлива, — уже умеют проводить в лабораторных условиях. Однако искусственно повторить фотосинтез сложно: для этого требуется не только свет, но и «посредники» — катализаторы, которые умеют улавливать и поглощать солнечный свет, а также вызывать химическое превращение молекул воды, передавая необходимые для расщепления электроны.

Недавно ученые успешно синтезировали совершенно новый наноматериал, особенность которого заключается в том, что он имеет две различные по составу поверхности: верхний слой покрыт атомами серы, нижний — атомами селена, а между ними располагается сетка из молибдена. Материалы с подобными неэквивалентными поверхностями получили название Янус-структур. Они успешно катализируют реакцию расщепления воды, поскольку в них происходит эффективное разделение зарядов — отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок (мест, откуда ушли электроны), появляющихся при облучении материала солнечным светом и участвующих в последующем химическом превращении воды.

«Исследованные нами материалы способны образовывать разные кристаллические структуры при одинаковом химическом составе. Экспериментально изучать строение подобных наноматериалов можно, например, по тому, как они рассеивают свет, а полученные спектры являются своеобразным “отпечатком пальца” структуры», — рассказывает автор работы Александр Орешонков, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник лаборатории молекулярной спектроскопии Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН.

«Неграфеноподобная» модификация монослоя с химическим составом MoSSe. Источник: Oreshonkov et al. / Materials, 2022

Ученые из Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля РАН (Москва), Института физики имени Л.В. Киренского СО РАН (Красноярск) и Сибирского федерального университета (Красноярск) с использованием теоретических методов описали спектры комбинационного рассеяния света для различных конфигураций наноразмерных слоев из молибдена, серы и селена. Использованный в работе подход позволил получить сходимость с известными в литературе экспериментальными данными, близкую к идеальной.

После проверки обоснованности модели авторы предсказали спектры для возможных конфигураций наноматериалов, которые еще только предстоит синтезировать. Их детальный анализ позволил оценить вклад отдельных атомов в конкретные спектральные полосы, что особенно важно, поскольку геометрия и качество слоев влияют на эффективность материала в реакции фотокаталитического расщепления воды.

«Результаты проведенных нами теоретических расчетов показывают, что по положению пиков рассеяния света можно оценить структуру материала-катализатора, а значит, контролировать его качество», — заключил руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Захар Попов, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ИБХФ РАН.

В последующих работах авторы планируют расширить базу теоретических и экспериментальных спектров для наноматериалов, потенциально пригодных для фотокаталитических реакций. Это не только поможет контролировать качество получаемых при синтезе структур, но и позволит проверить структуру новых материалов.